信号与系统 (1)

第 1 章 信号与系统的概念与性质1.1 信号的基础知识1.1.1 信号的概念1.1.2 信号的分类1.1.3 常见的信号1.1.4 奇异的信号1.1.5 信号的运算1.2 冲激函数的性质1.2.1 抽样性质1.2.2 筛选性质1.2.3 尺度性质1.2.4 相互关系1.2.5 正幂函数1.2.6 分解公式1.3 系统的基础知识1.3.1 系统方框图1.3.2 系统的分类1.3.3 线性时不变1.3.4 系统响应的分解第 2 章 连续时间的时域分析2.1 经典时域分析2.1.1 微分方程2.1.2 传输算子2.1.3 算子电抗2.2 零输入响应与零状态响应2.3 冲激响应与阶跃响应2.3.1 相关概念2.3.2 经典法求解2.3.3 传输算子法2.4 卷积积分及其性质2.4.1 函数的卷积积分2.4.2 卷积积分的应用2.4.3 卷积积分的计算2.4.4 常用的卷积积分第 3 章 连续时间的频域分析3.1 信号的正交分解3.1.1 正交分解方式3.1.2 正交函数集合3.1.3 最小均方误差3.2 傅里叶级数分析3.2.1 三角形式3.2.2 指数形式3.2.3 对称性质3.3 周期信号的频谱3.3.1 频谱的介绍3.3.2 矩形脉冲的频谱3.3.3 周期信号的功率谱3.4 非周期信号频谱3.4.1 傅里叶变换及其逆变换3.4.2 非周期信号的频谱3.4.3 非周期信号的分解3.5 常用傅里叶变换3.5.1 直接计算积分3.5.2 利用含参积分3.5.3 常用傅氏变换3.6 傅里叶变换的基本性质3.6.1 线性性质3.6.2 奇偶性质3.6.3 对称性质3.6.4 尺度性质3.6.5 位移性质3.6.6 微分性质3.6.7 积分性质3.6.8 卷积定理3.6.9 频谱性质3.7 周期信号的傅里叶变换3.7.1 指数与冲激序列3.7.2 一般的周期信号3.8 抽样信号与抽样定理3.8.1 信号的抽样与时域表示3.8.2 时域和频域的抽样定理3.8.3 连续时间信号的重建3.8.4 频谱的连续性与周期性3.9 连续时间系统的频域分析3.9.1 系统函数3.9.2 求解响应3.10 无失真传输3.11 理想低通滤波器3.12 调制与多路复用

第 1 章 信号与系统的概念与性质

1.1 信号的基础知识

1.1.1 信号的概念

通过信号,传送消息,接受信息.

待发消息转换器输入信号发射机信道接收机输出信号转换器接受消息

 

1.1.2 信号的分类

 

1.1.3 常见的信号

 

1.1.4 奇异的信号

 

1.1.5 信号的运算

 

1.2 冲激函数的性质

1.2.1 抽样性质

性质

  1. ∫−∞+∞f(t)δ(t−t0)dt=f(t0).

  2. ∫−∞+∞f(t)δ′(t−t0)dt=−f′(t0).

  3. ∫−∞+∞f(t)δ(n)(t−t0)dt=(−1)nf(n)(t0).

证明

 

1.2.2 筛选性质

性质

  1. f(t)δ(t)=f(0)δ(t).

  2. f(t)δ′(t)=f(0)δ′(t)−f′(0)δ(t).

  3. f(t)δ(n)(t)=∑i=0n(−1)i(ni)f(i)(0)δ(n−i)(t).

证明

 

1.2.3 尺度性质

性质 对于 ∀a≠0,有

  1. δ(at)=δ(t)|a|.

  2. δ′(at)=δ′(t)|a|a.

  3. δ(n)(at)=δ(n)(t)|a|an.

证明

 

1.2.4 相互关系

性质

  1. δ(t)=u′(t).

  2. δ′(t)=−δ(t)t.

  3. δ(n)(t)=n!(−t)nδ(t).

证明

 

1.2.5 正幂函数

性质 对于 ∀k∈N+,有

  1. δ(tk)=δ(t)k|t|k−1.

  2. δ′(tk)=−δ(t)k|t|k−1tk=δ′(t)k(|t|t)k−1.

  3. δ(n)(tk)=n!(−1)nδ(t)k|t|k−1tkn=δ(n)(t)k(|t|tn)k−1.

证明

 

1.2.6 分解公式

性质 设 f(t) 的根为 tk (k=1,2,⋯,N),相应重数为 αk∈N+, 则

  1. δ(f(t))=∑k=1N(αk−1)!⋅δ(t−tk)|f(αk)(tk)|⋅|t−tk|αk−1.

  2. δ(n)(f(t))=∑k=1N(αk−1)!⋅δ(n)(t−tk)|f(αk)(tk)|⋅(f(αk)(tk))n⋅[(t−tk)n|t−tk|]αk−1.

  3. δ(n)(f(t))=∑k=1Nn!(αk−1)!⋅δ(t−tk)|f(αk)(tk)|⋅[−f(t)]n⋅|t−tk|αk−1.

证明

备注

  1. 也可以将右式的高阶导数均转换为一阶,或者用更冲激函数的高阶导数消去分母的幂函数.

  2. 特殊的,若 f(t) 只有单根,即 ∀k:αk=1,那么有 δ(f(t))=∑k=1Nδ(t−tk)|f′(tk)|.

 

1.3 系统的基础知识

1.3.1 系统方框图

 

1.3.2 系统的分类

 

1.3.3 线性时不变

LTI, Linear and Time-invariant System.

线性系统

  1. f1(t),f2(t)→系统y1(t),y2(t)→叠加k1y1(t)+k2y2(t).

  2. f1(t),f2(t)→叠加k1f1(t)+k2f2(t)→系统yk1f1+k2f2(t).

  3. 若上述两个响应相同,则称为线性系统.

系统响应

动态线性 若动态系统满足以下条件,则称为动态线性系统.

  1. 可分解性 y(t)=yzs(t)+yzi(t).

  2. 零状态线性 T[{af1(t)+bf2(t)},{0}]=aT[{f1(t)},{0}]+bT[{f2(t)},{0}].

  3. 零输入线性 T[{0},{af1(t)+bf2(t)}]=aT[{0},{f1(t)}]+bT[{0},{f2(t)}].

时不变性

  1. f(t)→系统y(t)→延时y(t−τ).

  2. f(t)→延时f(t−τ)→系统yτ(t).

  3. 若 y(t−τ)=yτ(t),则为时不变.

求解响应

  1. 单位冲激响应:δ(t−τ)→系统hτ(t).

  2. 对于线性系统:f(t)=∫−∞+∞f(τ)δ(t−τ)dτ→系统∫−∞+∞f(τ)hτ(t)dτ.

  3. 若线性时不变:f(t)→系统∫−∞+∞f(τ)h(t−τ)dτ=f(t)∗h(τ).

 

1.3.4 系统响应的分解

 

 

 

第 2 章 连续时间的时域分析

2.1 经典时域分析

2.1.1 微分方程

见高数笔记最后四页.

微分方程手写笔记

其中特征根又称为系统的 自然频率 或 固有频率.

 

2.1.2 传输算子

定义 对于 n∈N+, 如下定义微分算子 (当 n>0) 与积分算子 (当 n<0) 对函数 r 的映射

pn(r)={dnrdtn,n>0,r,n=0,∫−∞tpn+1(τ)dτ,n<0.

备注

性质 记尖括号表示由尖括号内的集合生成某种代数结构, 则

推论 在 RZ[p] 中,

定义 对于 r(t),e(t)∈R[x] 和 N(p),D(p)∈RN[p], 若系统有 D(p)r(t)=N(p)e(t), 则形式上记该系统的传输函数为 H(p)=N(p)D(p).

备注

性质 F[p]=⟨{A(p)B(p) | A(p),B(p)∈RN(p),B(p)≠0}⟩ 是一个非交换幺环, 且只有 R∖{0} 可逆.

命题

  1. A2B2⋅A1B1f⊆A2A1B2B1f.

  2. 1B2⋅AB1f=AB1B2f.

  3. C⋅ABCf=ABf⊆1C⋅ACBf=ACBCf.

  4. A1CB2⋅A2B1Cf⊆A1A2B1B2f⊆C⋅1B2⋅A1A2B1Cf.

  5. ABf⊆ABC⋅Cf.

证明

传输算子的应用.

 

2.1.3 算子电抗

 

2.2 零输入响应与零状态响应

对于线性微分方程 ∑i=0nAir(i)(t)=e(t),

 

2.3 冲激响应与阶跃响应

2.3.1 相关概念

 

2.3.2 经典法求解

对于 ∑i=0nCih(i)(t)=∑i=0nEiδ(i)(t), 若特征方程没有重根, 则

  1. 当 n>m 时, 设 h(t)=∑i=1nAieλitu(t).

  2. 当 n≤m 时, 设 h(t)=∑i=1nAieλitu(t)+∑i=0m−nBiδ(i)(t).

若有重根, 则同 2.1.1 节处理.

 

2.3.3 传输算子法

思路 将传输算子展开为部分分式, 然后分别求解.

部分分式展开法

备注 从我理解的传输算子来看, 我不认为它可以部分分式展开, 因为上述 RN[p] 含零因子从而无消去律. 但是大家似乎约定了导数的逆运算为定积分而非不定积分, 尽管这个约定并没有自圆其说, 然而并不影响实际应用. 不想再折腾这玩意儿了, 还有其他事情要做, 还有其它鱼要摸. 等以后有空了、心血来潮了, 再来思考这里的严谨性吧.

证明

 

2.4 卷积积分及其性质

2.4.1 函数的卷积积分

定义 1 函数 f(t) 和 g(t) 的卷积定义为

(f∗g)(t)=f(t)∗g(t)=∫−∞+∞f(τ)g(t−τ)dτ.

定义 2 函数 f(t) 的卷积逆 f∗−1(t) 定义为满足 (f∗−1∗f)(t)=δ(t) 的函数.

定义 3 函数 f(t) 的卷积幂定义为

f∗n={f∗n−1∗f,n>1,f,n=1,δ,n=0,f∗−1,n=−1,f∗n+1∗f∗−1,n<−1.

备注 第二个定义是为了与其它概念区分而胡乱定义的, 第三个定义是纯粹是为了推广定义 2, 没什么用. 于是有

∀n,m∈Z:f∗n∗f∗m=f∗m+n.

性质 1 基本代数性质

  1. 交换律 f∗g=g∗f.

  2. 结合律 (f∗g)∗h=f∗(g∗h).

  3. 分配律 f∗(g+h)=f∗g+f∗h.

性质 2 伸缩与变量代换 (a≠0)

  1. 数乘 a(f∗g)=(af)∗g.

  2. 时延 f(t−t1)∗g(t−t2)=(f∗g)(t−t1−t2).

  3. 尺度 f(at)∗g(at)=1|a|(f∗g)(at).

性质 3 微积分与等效变换

  1. 微分 (f∗g)′=f′∗g.

  2. 积分 (f∗g)(−1)=f(−1)∗(g).

  3. 等效 f∗g=f(−1)∗g′.

性质 4 冲激函数及其微积分 (n,m∈Z)

  1. (f∗g)(n)=f(m)∗f(n−m).

  2. f(t)∗δ(t−t0)=f(t−t0).

  3. f(t)∗δ(n)(t−t0)=f(n)(t−t0).

性质 5 卷积的 Fourier 变换 (F[f]≢0)

  1. F[f∗g]=F[f]⋅F[g].

  2. F[f⋅g]=12πF[f]∗F[g].

  3. f∗−1=F−1[F[δ]⋅F[f]].

  4. f∗g=h⇒g=F−1[F[h]/F[f]].

性质 6 记 G 为实函数全体, 则 ⟨G,+,∗⟩ 是交换幺环.

证明

 

2.4.2 卷积积分的应用

1 计算零状态响应

若单位冲激响应为 h(t), 则信号 f(t) 的零状态响应为 f(t)∗h(t).

若单位阶跃响应为 g(t), 则信号 f(t) 的零状态响应为 f′(t)∗g(t).

证明

2 计算和的概率密度函数

若 (X1,X2) 的联合密度函数为 f(x1,x2), 则 Y=X1+X2 的密度函数为

fY(y)=∫−∞+∞f(x,y−x)dx.

 

2.4.3 卷积积分的计算

除了利用 2.4.1 中的性质, 在实际计算中可以利用示性函数或图解法来确定积分限并分类讨论.

这两种方法本质上是一样的, 只是前者侧重代数, 后者侧重几何.

 

2.4.4 常用的卷积积分

u(t)∗u(t)=tu(t),u(t)∗tnu(t)=tn+1n+1u(t),tau(t)∗tbu(t)=B(a+1,b+1)ta+b+1u(t),e−αtu(t)∗tnu(t)=e−αtu(t)(−α)n+1γ(n+1,−αt),e−αtu(t)∗e−βtu(t)=e−βt−e−αtα−βu(t),e−αtu(t)∗e−αtu(t)=te−αtu(t),tne−αtu(t)∗e−αtu(t)=tn+1n+1e−αtu(t),δ(t−t0)∗f(t)=f(t−t0),Gτ(t)∗Gτ(t)=τTτ(t).

 

 

 

第 3 章 连续时间的频域分析

3.1 信号的正交分解

3.1.1 正交分解方式

 

3.1.2 正交函数集合

定义 设 {φn(t),n∈S⊆Z} 是复函数集, ∀n∈S:Ki≠0, 且

∀m,n∈S:∫t1t2φm(t)φn(t)―dt=KiI{m=n},

则该复函数集称为 (t1,t2) 上的 正交函数集. 进一步, 若对于不属于该复函数集的任何非零函数 ϕ(t), 均有

∀n∈S:∫t1t2φn(t)ϕ(t)dt≠0,

则称该复函数集为 (t1,t2) 上的 完备正交函数集.

例子 以下区间均为 (t0,t0+2πω),t0∈R,ω∈R+.

此外, 以下函数也可构造完备正交函数集:

 

3.1.3 最小均方误差

对于 (t1,t2) 上的正交函数集 {φn(t),n∈S} 和任意函数 f(t), 将其表示为

f(t)=∑i=1nCiφi(t)+e(t),

并令 εN=1t2−t1∫t1t2e2(t)dt 最小, 即 ∂εN∂Ci=0 (i∈S), 于是

Ci=∫t1t2f(t)φi(t)dt∫t1t2φi2(t)dt≡1Ki2∫t1t2f(t)φi(t)dt,i∈S,εN=1t2−t1[∫t1t2f2(t)dt−∑i=1nCi2Ki2],

令 n→∞, 若 εN→0, 则 f(t)=∑n=1∞Cnφn(t), 称为 广义傅里叶级数展开.

 

3.2 傅里叶级数分析

Fourier 级数及其变换的笔记.

3.2.1 三角形式

若周期函数 f(t) 的周期为 T, 角频率 ω=2πT, 且满足 Dirichlet 条件, 则可展开为

f(t)=a0+∑n=1∞[ancos⁡(nωt)+bnsin⁡(nωt)],

其中

a0=1T∫0Tf(t)dt,an=2T∫0Tf(t)cos⁡(nωt)dt,bn=2T∫0Tf(t)sin⁡(nωt)dt.

也可以将上式表达为

f(t)=a0+∑n=1∞cncos⁡(nωt+φn).

 

3.2.2 指数形式

代入欧拉公式, 得

f(t)=∑n=−∞∞Fnejnωt,Fn=1T∫0Tf(t)e−jnωtdt.

若记 ∀n∈N+:a−n=an,b0=0,b−n=−bn, 则有

Fn=an−jbn2F−n=an+jbn2|Fn|=|F−n|=an2+bn22=cn2.

 

3.2.3 对称性质

设周期函数 f(t) 的周期为 T.

 

3.3 周期信号的频谱

3.3.1 频谱的介绍

 

3.3.2 矩形脉冲的频谱

f(t)=E⋅I{kT1−τ2≤t≤kT1+τ2,k∈Z}=EτT1+2EτT1∑n=1∞Sa(nπτT1)cos⁡(nω1t+φn)=EτT1+Eτω1π∑n=1∞Sa(nω1τ2)cos⁡(nω1t+φn)=EτT1∑n=−∞+∞Sa(nω1τ2)ejnω1t.

 

3.3.3 周期信号的功率谱

 

3.4 非周期信号频谱

3.4.1 傅里叶变换及其逆变换

傅里叶逆变换的存在性
Fm(ω)=12π∫−∞+∞f(t)ejωtdt,f(t)=12π∫−∞+∞Fm(ω)e−jωtdω.

 

3.4.2 非周期信号的频谱

F(ω)=∫−∞+∞f(t)cos⁡(ωt)dt−j∫−∞+∞f(t)sin⁡(ωt)dt=|F(ω)|ejφ(ω).

 

3.4.3 非周期信号的分解

由下式, 可以理解为频谱密度包含了 ∀ω∈[0,+∞) (或者指数形式下 ∀ω∈R).

f(t)=12π∫−∞+∞F(ω)ejωtdω=12π∫−∞+∞|F(ω)|ej(ωt+φ(ω))dω=∫0+∞|F(ω)|πcos⁡(ωt+φ(ω))dω.

 

3.5 常用傅里叶变换

3.5.1 直接计算积分

令 I{A} 表示示性函数.

 

3.5.2 利用含参积分

即费曼积分法.

3.5.3 常用傅氏变换

见附录 A.8.

 

3.6 傅里叶变换的基本性质

3.6.1 线性性质

性质 若 f,g 的傅里叶变换及其逆变换存在, 则

  1. F[k1f1+k2f2]=k1F[f1]+k2F[f2].

  2. F−1[k1F1+k1F2]=k1F−1[F1]+k2F[F2].

证明

备注 若采用先前记号, 则有

{f1(t)↔F1(ω)f2(t)↔F2(ω)⇒k1f1(t)+k2f2(t)↔k1F1(ω)+k2F2(ω).

 

3.6.2 奇偶性质

性质 考虑 F(ω)=∫−∞+∞f(t)cos⁡ωtdt−j∫−∞+∞f(t)sin⁡ωtdt,

  1. 对于任意实信号 f(t), 有

    1. ReF(ω) 和 |F(ω)| 是偶函数.

    2. ImF(ω) 和 φ(ω) 是奇函数.

  2. 进一步, 对于实偶信号, 有

    1. ImF(ω)=0.

    2. F(ω)=2∫0+∞f(t)cos⁡ωtdt.

  3. 对于实奇信号, 有

    1. ReF(ω)=0.

    2. F(ω)=−2j∫0+∞f(t)sin⁡ωtdt.

  4. 对于任意复信号, 有

    1. F[f(−t)](ω)=F[f(t)](−ω).

    2. F[f(t)―](ω)=F[f(t)](−ω)―.

    3. 如果 f(t) 是实信号, 那么 F[f(−t)](ω)=F[f(t)](ω)―.

  5. 上一点的结论可等价地表述为

    1. 复信号:f(−t)↔FF(−ω).

    2. 复信号:f(t)―↔FF(−ω)―.

    3. 实信号:f(−t)↔FF(ω)―.

证明

 

3.6.3 对称性质

性质 若 f(t)↔F(ω), 则 F(t)↔2πf(−ω).

证明

约定 n (n≥1) 次傅里叶变换定义为 Fnf(ω)=Fn[f(t)](ω)=F[Fn−1f(τ)](ω).

应用

  1. 求函数的任意次傅里叶变换, 如 F2f(ω)=2πf(−ω).

  2. 若已知函数的傅里叶逆变换, 则可求得其傅里叶变换.

  3. 如果知道时域性质, 则可由对称性质求出频域性质.

备注 若采用 mathematica 缺省参数时的定义, 则有 F(t)↔f(−ω).

 

3.6.4 尺度性质

性质 若 f(t)↔F(ω), 则对于 ∀0≠a∈R, 有

  1. 时间尺度: f(at)↔1|a|F(ωa).

  2. 频率尺度: 1|a|f(ta)↔F(aω).

证明

备注

 

3.6.5 位移性质

性质 若 f(t)↔F(ω), 则对于 ∀t0,ω0∈R, 有

  1. 时移特性: f(t−t0)↔F(ω)e−jωt0.

  2. 频移特性: f(t)ejω0t↔F(ω−ω0).

证明

推论 1

  1. f(at−b)↔1|a|F(ωa)e−jωba.

  2. 1|a|f(ta)ejbat↔F(aω−b).

推论 2

  1. f(t)cos⁡ω0t↔12[F(ω+ω0)+F(ω−ω0)].

  2. f(t)sin⁡ω0t↔j2[F(ω+ω0)−F(ω−ω0)].

证明

备注 频移特性也称为调制特性. f(t) 为调制信号, 载波信号 cos⁡(ω0t) 通常为高频信号, 二者相乘即得已调信号. 于是可以实现频分复用多路通信.

 

3.6.6 微分性质

性质 记 f(t)↔F(ω),

  1. 时域微分: 若 f(t) 在 R 上有连续导数, limt→∞f(t)=0, 且 f(t) 和 f′(t) 在 R 上绝对可积, 则

    f′(t)↔jωF(ω).
  2. 频域微分: 若 f(t) 和 tf(t) 在 R 上绝对可积, 则

    −jtf(t)↔F′(ω).
证明

推论 若 f(t)↔F(ω), 则

  1. f(n)(t)↔(jω)nF(ω).

  2. (−jt)nf(t)↔F(n)(ω).

  3. tnf(t)↔jnF(n)(ω).

应用 由推论 1 的第三点,

  1. 由 1↔2πδ(ω), 知 tn↔2πjnδ(n)(ω),n∈N.

  2. 由 u(t)↔πδ(ω)+1jω, 知 tnu(t)↔πjnδ(n)(ω)+n!(jω)n+1,n∈N.

  3. 由 e−αtu(t)↔1α+jω, 知 tne−αtu(t)↔n!(α+jω)n+1,α>0.

  4. 由 δ(n)(t)↔(jω)n, 知 tkδ(n)(t)↔n!⋅jk(n−k)!(jω)n−k,k∈N,k≤n.

 

3.6.7 积分性质

性质 记 f(t)↔F(ω),

  1. 时域积分: ∫−∞tf(τ)dτ↔F(ω)jω+πF(0)δ(ω).

  2. 频域积分: πf(0)δ(t)−f(t)jt↔∫−∞ωF(τ)dτ.

证明

推论 有条件的积分性质

  1. 时域积分: 若 f(t) 和 ∫−∞tf(τ)dτ 在 R 上绝对可积, 则

∫−∞tf(t)dt↔F(ω)jω.
  1. 频域积分: 若 F(ω) 和 ∫−∞ωF(ω)dω 在 R 上绝对可积, 则

−f(t)jt↔∫−∞ωF(τ)dτ.
证明

 

3.6.8 卷积定理

性质 若 f1(t)↔F1(ω), f2(t)↔F2(ω), 则

  1. 时域卷积: f1(t)∗f2(t)↔F1(ω)⋅F2(ω).

  2. 频域卷积: f1(t)⋅f2(t)↔12πF1(ω)∗F2(ω).

证明

备注 多次应用对称性质, 频域卷积可看作时域卷积的推论.

推论 若 f(t)=f1(t)∗f2(t), 记 f(t)↔F(ω), f1(t)↔F1(ω), f2(t)↔F2(ω), 则

f2(t)=F−1[F(ω)F1(ω)](t).
证明

 

3.6.9 频谱性质

定义 对于实信号 f(t),

  1. 若能量无穷, 功率有限, 则称为 功率信号.

  2. 若能量有限, 功率为零, 则称为 能量信号.

性质 9.1 (能量频谱; 瑞利定理) 若实信号 f(t) 的频谱函数为 F(ω), 则

E:=∫−∞+∞f2(t)dt=12π∫−∞+∞|F(ω)|2dω.
证明

定义 记 E(ω)=12π∫−∞ω|F(τ)|2dτ, 称 E(ω)≡dE(ω)df 为 能量密度函数 (或 能量谱), 其中 f 指频率而非映射.

推论

  1. E(ω)=|F(ω)|2.

  2. E=12π∫−∞+∞E(ω)dω.

  3. P:=limT0→∞1T0∫−T02T02f2(t)dt=limT0→∞12π∫−∞+∞|F(ω)|2T0dω.

证明

性质 9.2 (功率频谱; 帕塞瓦尔定理定理) 对于周期为 T0 实信号 f(t), 设其指数形式的傅里叶展开系数为 Fn,n∈Z, 则

P:=1T0∫−T02T02f2(t)dt=∑n=−∞+∞|Fn|2.

定义 对于任意功率信号 f(t),

  1. 平均功率 P:=limT0→∞1T0∫−T02T02f2(t)dt.

  2. P(ω)=limT0→∞12π∫−∞ω|F(τ)|2T0dτ.

  3. P(ω):=2πdP(ω)dω=limT0→∞|F(ω)|2T0.

这几个定义有问题, 需要将 F(ω) 改为 FT(ω), 具体之后再说.

 

3.7 周期信号的傅里叶变换

3.7.1 指数与冲激序列

 

3.7.2 一般的周期信号

 

3.8 抽样信号与抽样定理

3.8.1 信号的抽样与时域表示

 

3.8.2 时域和频域的抽样定理

时域抽样定理

对于时域的理想抽样, 首先傅里叶级数展开抽样脉冲信号,

p(t)=δTs(t)=∑n=−∞+∞δ(t−nTs)=∑n=−∞+∞pne−jnωst=∑n=−∞+∞1Tse−jnωst↔∑n=−∞+∞2πTsδ(ω−nωs),

于是抽样信号的傅里叶变换为

fs(t)=f(t)p(t)=∑n=−∞+∞f(nTs)δ(t−nTs)↔12πF(ω)∗P(ω)=∑n=−∞+∞F(ω−nωs)Ts,

记 F(ω) 仅在 (−ωm,ωm) 有限, 于是需要 ωm<ωs−ωm, 即

  1. 临界采样角频率 ωs=2ωm (越大越好).

  2. 奈奎斯特抽样频率 fs=ωs2π=2fm.

  3. 奈奎斯特抽样间隔 Ts=2πωs=12fm.

一些常用信号的奈奎斯特抽样频率与间隔:

频域抽样定理

 

3.8.3 连续时间信号的重建

使用低通滤波器, 其频域的系统函数为

H(ω)={Ts,|ω|<ωc,0,|ω|>ωc.

其时域的冲激响应 h(t)=TsωcπSa(ωct), 于是

f(t)=fs(t)∗h(t)=f(t)δTs(t)∗h(t)=∑n=−∞+∞f(t)δ(t−nTs)∗TsωcπSa(ωct)=Tsωcπ∑n=−∞+∞f(nTs)Sa(ωc(t−nTs)),

若取临界条件, 即 Ts=πωm, ωc=ωm, 则有

f(t)=∑n=−∞+∞f(nTs)Sa(ωm(t−nTs)).

 

3.8.4 频谱的连续性与周期性

时域频域周期⇔频谱离散非周期⇔频谱连续时间连续⇔非周期时间离散⇔周期

 

3.9 连续时间系统的频域分析

3.9.1 系统函数

 

3.9.2 求解响应

 

3.10 无失真传输

 

3.11 理想低通滤波器

 

3.12 调制与多路复用